DE2651505C2 - - Google Patents

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DE2651505C2
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Description

Wäßrige Dispersionen von Polyurethanen oder Polyurethanharnstoffen sind seit langem bekannt vgl. z. B. Angewandte Chemie, 82 (1970), Seiten 53 bis 63; DE-OS 23 14 512 oder 23 14 513, und besitzen ein hohes Qualitätsniveau.Aqueous dispersions of polyurethanes or polyurethaneureas have long been known cf. z. B. Applied Chemie, 82 (1970), pages 53 to 63; DE-OS 23 14 512 or 23 14 513, and have a high level of quality.

Nicht zuletzt die Tatsache, daß viele dieser Dispersionen frei von Emulgatoren sind, trägt zu diesem hohen Niveau bei. Sie enthalten auf chemischem Wege eingebaute hydrophile Zentren, die Selbstemulgierbarkeit der ansonsten hydrophoben Elastomere bewirken.Not least the fact that many of these dispersions are free from emulsifiers, contributes to this high Level at. They contain incorporated by chemical means hydrophilic centers, the self-emulsifying the otherwise cause hydrophobic elastomers.

Die in den bekannten, in Wasser dispergierbaren Polyurethanen bzw. Polyurethanstoffen eingebauten hydrophilen Zentren können sowohl salzartige, d. h. ionische Gruppen als auch hydrophile nichtionische Gruppen darstellen. The in the known, water-dispersible polyurethanes or polyurethane materials incorporated hydrophilic Centers can be both salt-like, d. H. ionic Represent groups as well as hydrophilic nonionic groups.  

Zu den erstgenannten "Polyurethanionomeren" gehören sowohl chemisch fixierte Kationen, d. h. insbesondere chemisch eingebaute Ammoniumionen aufweisende Polyurethane als auch chemisch fixierte Anionen, d. h. insbesondere eingebaute Sulfonat- oder Carboxylatgruppen aufweisende Polyurethane. Zu den letztgenannten nichtionischen, in Wasser dispergierbaren Polyurethanen gehören insbesondere die seitenständige Polyethylenoxidketten aufweisenden Polyurethane bzw. Polyurethanharnstoffe gemäß DE-OS 23 14 512 und 23 14 513.The former "polyurethane ionomers" include both chemically fixed cations, d. H. especially chemically built-in ammonium ion-containing polyurethanes as well as chemically fixed anions, d. H. in particular incorporating sulfonate or carboxylate groups Polyurethanes. To the latter nonionic, in Water-dispersible polyurethanes are in particular having the pendant polyethylene oxide chains Polyurethanes or polyurethane ureas according to DE-OS 23 14 512 and 23 14 513.

Die Dispersionen dieser Polyurethane besitzen je nach Art des hydrophilen Zentrums verschiedene charakteristische Eigenschaftsbilder. So sind Polyurethanionomerdispersionen, da die in ihnen enthaltenen Salzgruppen in ihrer Löslichkeit praktisch nicht temperaturabhängig sind, gegen Erhitzen bis zum Sieden stabil, nichtionische Dispersionen koagulieren dagegen bereits beim Erhitzen auf mittlere Temperatur (ca. 60°C), da die Polyethylenoxid- Seitenketten bei höherer Temperatur ihre Löslichkeit in Wasser allmählich verlieren. Im Gegensatz zu Ionomeren sind diese Dispersionen aber gegen den Zusatz praktisch unbegrenzter Mengen an Elektrolyten beständig und auch nach dem Gefrieren und Auftauen stabil.The dispersions of these polyurethanes, depending on Type of hydrophilic center different characteristic Property photos. So are polyurethane ionomer dispersions, since the salt groups contained in them practically not temperature-dependent in their solubility are stable against heating to boiling, non-ionic On the other hand, dispersions already coagulate on heating at medium temperature (about 60 ° C), since the polyethylene oxide Side chains at higher temperature their Gradually lose solubility in water. In contrast to ionomers, however, these dispersions are against the addition virtually unlimited amounts of electrolyte resistant and stable even after freezing and thawing.

Die Empfindlichkeit gegenüber Elektrolyten ist bei kationischen Polyurethanen besonders groß. In Wasser dispergierte Polyurethane mit quartären Ammonium- oder tertiären Sulfoniumgruppen koagulieren sofort, selbst wenn nur sehr geringe Mengen eines Elektrolyten mit einwertigen Ionen, wie Natriumchlorid, in wäßriger Lösung zugesetzt werden. Aufgrund dieser Eigenschaft ist die Herstellung und die Anwendung kationischer Polyurethandispersionen mit besonderen Problemen verbunden. So muß in der Regel zur Herstellung Wasser verwendet werden, das weitgehend von Ionen frei ist. "Hartes" Wasser führt zu einer unerwünschten Vergröberung der dispergierten Teilchen oder zur teilweisen Koagulation.The sensitivity to electrolytes is included cationic polyurethanes are particularly large. In water dispersed polyurethanes with quaternary ammonium or tertiary sulfonium groups coagulate immediately, even  if only very small amounts of an electrolyte with monovalent ions, such as sodium chloride, in aqueous Solution can be added. Because of this property is the preparation and use of cationic polyurethane dispersions associated with special problems. So must be used for the production of water in the rule which is largely free of ions. "Hard" Water leads to an undesirable coarsening of dispersed particles or for partial coagulation.

Die Pigmentierung kationischer Dispersionen gestaltet sich häufig schwierig, da an der Pigmentoberfläche absorbierte Ionen die Einarbeitung der Pigmente erschweren und Inhomogenitäten bewirken. Die außerordentliche Empfindlichkeit kationischer Polyurethandispersionen gegenüber Zusätzen der verschiedensten Art hat den technischen Einsatz sehr erschwert oder sogar unmöglich gemacht. Andererseits weisen kationische Dispersionen besonders wünschenswerte Eigenschaften auf, z. B. sehr gute Haftung auf verschiedenartigen Substraten und ein ganz ausgezeichnetes Filmbildungsvermögen selbst bei hoher Härte der Beschichtungen.The pigmentation of cationic dispersions designed often difficult as it absorbed on the pigment surface Ions complicate the incorporation of the pigments and inhomogeneities. The extraordinary Sensitivity of cationic polyurethane dispersions opposite additives of the most different kind has the technical use very difficult or even impossible made. On the other hand, cationic dispersions particularly desirable properties, for. Very much good adhesion to various substrates and a excellent filming ability even at high hardness of the coatings.

Durch Erfindung werden nunmehr in Wasser dispergierbare kationische Polyurethane zur Verfügung gestellt, die in Form ihrer wäßrigen Dispersion sowohl den Vorteil einer ausgezeichneten Frost- und Elektrolytbeständigkeit als auch den Vorteil einer sehr guten Temperaturbeständigkeit aufweisen. Wie nämlich überraschend gefunden wurde, gelingt die Herstellung derartiger in Wasser dispergierbarer kationischer Polyurethanelastomerer dann, wenn in das Polyurethan sowohl seitenständige oder endständige Ethylenoxid-Einheiten aufweisende hydrophile Ketten als auch kationische Gruppen eingebaut werden.The invention now dispersible in water cationic polyurethanes provided in Form of their aqueous dispersion both the advantage of excellent frost and electrolyte resistance as also the advantage of a very good temperature resistance respectively. As it was surprisingly found succeeds in the preparation of such water-dispersible  cationic polyurethane elastomer then when in the polyurethane is both pendant or terminal Ethylene oxide units having hydrophilic chains as also cationic groups are incorporated.

Dies ist durchaus überraschend, da sich herausstellte, daß Mischungen von wäßrigen Dispersionen ionischer und nichtionischer Polyurethane keineswegs eine derartige Kombination erstrebenswerter Eigenschaften aufweisen. Derartige Mischungen weisen vielmehr vor allem die Nachteile der Einzelbestandteile auf.This is quite surprising, as it turned out that mixtures of aqueous dispersions ionic and nonionic polyurethanes by no means such Combination of desirable properties. Rather, such mixtures are more particularly those Disadvantages of the individual components.

Durch den Einbau hydrophiler Polyethersegmente entweder an den Enden der Polymer-Hauptkette oder in Form von seitenständigen Ketten wird ein überraschend wirksamer Schutz der kationischen Polyurethane gegenüber der Einwirkung von Elektrolyten erzielt. Die Dispersionen werden durch verdünnte Natriumchlorid-Lösung nicht mehr gefällt.By incorporating hydrophilic polyether segments either at the ends of the polymer backbone or in the form of Side chains become surprisingly effective Protection of cationic polyurethanes over the Effect of electrolytes achieved. The dispersions do not become dilute sodium chloride solution anymore like.

Gegenüber Produkten, bei denen die hydrophilen Polyethersegmente statistisch über die ganze Polymerhauptkette verteilt sind, zeichnen sich die Dispersionen gemäß der Erfindung durch ein besonders günstiges rheologisches Verhalten aus. Die dispergierten Teilchen sind nur mäßig und im wesentlichen nur in der Randzone gequollen, so daß eine günstige Relation von Feststoffgehalt der Dispersion und ihrer Viskosität erzielt wird. 40%ige Dispersionen sind noch gut fließend. Compared to products where the hydrophilic polyether segments statistically over the entire polymer backbone are distributed, the dispersions are distinguished according to the invention by a particularly favorable rheological Behavior off. The dispersed particles are only moderately and essentially only swollen in the marginal zone, so that a favorable relation of solids content the dispersion and its viscosity is achieved. 40% dispersions are still well flowing.  

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von in Wasser dispergierbaren Polyurethanen mit im wesentlich linearer Molekülstruktur durch Umsetzung von organischen Diisocyanaten mit im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion difunktionellen, endständige gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähige Wasserstoffatome aufweisenden organischen Verbindungen des Molekulargewichtsbereichs 300 bis 6000 unter Mitverwendung von sowohlThe invention relates to a process for the preparation of water-dispersible polyurethanes with im essentially linear molecular structure by reaction of organic diisocyanates in the sense of Isocyanatpolyadditionsreaktion difunctional, terminal isocyanate-reactive hydrogen atoms containing organic compounds of the molecular weight range 300 to 6000 under co-use from both

  • a) Dispersionen und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion difunktionellen Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen und mit seitenständigen Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Ketten in einer solchen Menge, daß im letztlich erhaltenen Polyurethan 2 bis 10 Gew.-% an seitenständigen Ethylenoxideinheiten vorliegen, als aucha) dispersions and / or in the sense of Isocyanatpolyadditionsreaktion difunctional compounds with isocyanate-reactive hydrogen atoms and with pendant ethylene oxide units having hydrophilic chains in one such amount that in the final polyurethane 2 to 10 wt .-% of lateral ethylene oxide units exist as well
  • b) Mono- oder Diisocyanaten und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion mono- oder difunktionellen Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit ionischen Gruppen oder in ionische Gruppen überführbaren Gruppen,b) mono- or diisocyanates and / or in the sense of Isocyanatpolyadditionsreaktion mono- or difunctional Compounds with opposite isocyanate groups reactive hydrogen atoms with ionic Groups or convertible into ionic groups Groups,
  • wobei die zumindest teilweise Überführung der letztgenannten Gruppen in hydrophile Gruppen während oder anschließend an die Polyadditionsreaktion erfolgt, sowie gegebenenfalls unter Mitverwendung der in der Polyurethanchemie an sich bekannten Kettenverlängerungsmittel eines unter 300 liegenden Molekulargewichts in einem Äquivalentverhältnis von Isocyanatgruppen zu gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Gruppen von 0,8 : 1 bis 2,5 : 1 sowie gegebenenfalls unter Mitverwendung der in der Polyurethanchemie üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß manthe at least partial transfer of the the latter groups in hydrophilic groups during or subsequent to the polyaddition reaction carried out, as well as possibly under co-use  the known in polyurethane chemistry Chain extender of one under 300 lying molecular weight in an equivalent ratio from isocyanate groups to isocyanate groups reactive groups of 0.8: 1 up to 2.5: 1 and, if appropriate, with joint use the usual in polyurethane chemistry auxiliary and Additives, characterized in that
  • i) gegebenenfalls anstelle oder zusammen mit den Diisocyanaten bzw. den difunktionellen Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit seitenständigen Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Ketten, Monoisocyanate mit Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Ketten und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion monofunktionelle Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Ketten in einer solchen Menge verwendet, daß im letztlich erhaltenen Polyurethan 2 bis 10 Gew.-% endständig eingebaute oder 2 bis 10 Gew.-% seiten- oder endständig eingebaute Ethylenoxideinheiten vorliegen, und daß mani) optionally in place of or together with the diisocyanates or the difunctional compounds with isocyanate-reactive Hydrogen atoms with pendant ethylene oxide units having hydrophilic chains, monoisocyanates having ethylene oxide units hydrophilic chains and / or in the sense of Isocyanatpolyadditionsreaktion monofunctional compounds with isocyanate-reactive Hydrogen atoms with ethylene oxide units having hydrophilic chains in such Amount used in the final polyurethane 2 to 10 wt .-% terminally incorporated or 2 to 10% by weight incorporated laterally or terminally Ethylene oxide units are present, and that one
  • ii) die Art und Menge bzw. den Neutralisierungs- oder Quaternierungsgrad der Komponente b) so bemißt, daß im letztlich erhaltenen Polyurethan 16 bis 100 Milliäquivalent pro 100 g an ii) the type and amount or the degree of neutralization or quaternization of component b) is such that in the final polyurethane obtained from 16 to 100 milliequivalents per 100 g

Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete organische Diisocyanate sind solche der allgemeinen Formel R(NCO)₂, wobei R für einen organischen Rest steht, wie er durch Entfernung der Isocyanatgruppen aus einem organischen Diisocyanat des Molekulargewichtsbereichs 112 bis 1000, vorzugsweise von 140 bis 400, erhalten wird. Besonders bevorzugte für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Diisocyanate sind solche der angegebenen allgemeinen Formel, bei welchen R für einen zweiwertigen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 4 bis 18 Kohlenstoffatomen, einen zweiwertigen cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 5 bis 15 Kohlenstoffatomen, einen zweiwertigen aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen oder einen araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 7 bis 15 Kohlenstoffatomen steht. Typische Vertreter von für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt geeigneten organischen Diisocyanaten sind z. B. Tetramethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, Dodecamethylendiisocyanat, Cyclohexan-1,3- und -1,4-diisocyanat, 1-Isocyanato-3-isocyanatomethyl-3,5,5- trimethylcyclohexan, 4,4′-Diisocyanatodicyclohexylmethan oder auch aromatische Diisocyanate, wie 2,4-Diisocyanatotoluol, 2,6-Diisocyanatotoluol, aus diesen Isomeren bestehende Gemische, 4,4′-Diisocyanatodiphenylmethan und 1,5-Diisocyanatonaphthalin.For the inventive method suitable organic Diisocyanates are those of the general formula R (NCO) ₂, where R is an organic radical as defined by Removal of isocyanate groups from an organic Diisocyanate of the molecular weight range 112 to 1000, preferably from 140 to 400. Especially preferred for the inventive method suitable Diisocyanates are those of the indicated general Formula in which R is a divalent aliphatic Hydrocarbon radical having 4 to 18 carbon atoms, a divalent cycloaliphatic hydrocarbon radical with 5 to 15 carbon atoms, one divalent aromatic hydrocarbon radical with 6 to 15 carbon atoms or an araliphatic one Hydrocarbon radical having 7 to 15 carbon atoms stands. Typical representatives of for the invention Process preferred suitable organic diisocyanates are z. Tetramethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, Dodecamethylene diisocyanate, cyclohexane-1,3- and 1,4-diisocyanate, 1-isocyanato-3-isocyanatomethyl-3,5,5- trimethylcyclohexane, 4,4'-diisocyanatodicyclohexylmethane or aromatic diisocyanates, such as 2,4-diisocyanatotoluene, 2,6-diisocyanatotoluene, from these isomers existing mixtures, 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane and 1,5-diisocyanato naphthalene.

Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete, im Sinne der Isocyanat-Polyaddition difunktionelle, endständige, gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähige Gruppen aufweisende Verbindungen des Molekulargewichtsbereichs von 300 bis 6000, vorzugsweise von 500 bis 3000, sind insbesondereFor the inventive method suitable in the sense the isocyanate polyaddition difunctional, terminal, having isocyanate groups reactive groups  Compounds of the molecular weight range of 300 to 6000, preferably from 500 to 3000, are in particular

  • 1. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Dihydroxypolyester aus Dicarbonsäuren, wie Bernsteinsäure, Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure und Tetrahydrophthalsäure, und Diolen, wie z. B. Ethylenglykol, Propylenglykol-1,2, Propylenglykol- 1,3, Diethylenglykol, Butandiol-1,4, Hexandiol- 1,6, Octandiol-1,8, Neopentylglykol, 2-Methylpropandiol- 1,3, oder die verschiedenen isomeren Bis-(hydroxymethyl)-cyclohexane;1. the known in polyurethane chemistry Dihydroxypolyester from dicarboxylic acids, such as succinic acid, Adipic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, Phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid and tetrahydrophthalic acid, and diols, such as z. As ethylene glycol, propylene glycol-1,2, propylene glycol 1.3, diethylene glycol, 1,4-butanediol, hexanediol 1,6, octanediol-1,8, neopentyl glycol, 2-methylpropanediol 1,3, or the different isomers cyclohexanes bis (hydroxymethyl);
  • 2. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Polylactone, wie z. B. die auf den unter 1. genannten zweiwertigen Alkoholen gestarteten Polymerisate des ε-Caprolactons;2. the known in polyurethane chemistry polylactones such. B. starting on the mentioned under 1. dihydric alcohols polymers of ε- caprolactone;
  • 3. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Polycarbonate, wie sie durch Umsetzung beispielweise der unter 1, genannten Diole mit Diarylcarbonaten oder Phosgen zugänglich sind;3. the known in polyurethane chemistry Polycarbonates, as by reaction, for example the diols mentioned under 1, with diaryl carbonates or phosgene are available;
  • 4. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Polyether, wie z. B. die unter Verwendung von zweiwertigen Startermolekülen, wie Wasser, den unter 1. genannten Diolen oder 2 NH-Bindungen aufweisenden Aminen hergestellten Polymerisate bzw. Mischpolymerisate des Styroloxids, Propylenoxids, Tetrahydrofurans, Butylenoxids oder Epichlorhydrins. Auch Ethylenoxid kann anteilmäßig mitverwendet werden mit der Maßgabe, daß der verwendete Polyether maximal ca. 10 Gew.-% an Ethylenoxid enthält. Im allgemeinen werden jedoch solche Polyether eingesetzt die ohne Mitverwendung von Ethylenoxid erhalten wurden;4. the known in polyurethane chemistry Polyether, such as. B. using bivalent Starter molecules, such as water, the lower than 1. having diols or 2 NH bonds  Amines produced polymers or copolymers styrene oxide, propylene oxide, tetrahydrofuran, Butylene oxide or epichlorohydrin. Also, ethylene oxide can be used proportionally with the proviso that the polyether used contains at most about 10 wt .-% of ethylene oxide. In general, however, such polyethers are used without the concomitant use of ethylene oxide were obtained;
  • 5. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Polythioether, Polythiomischether, Polythioetherester;5. the known in polyurethane chemistry Polythioether, polythiomic ether, polythioetherester;
  • 6. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Polyacetale, beispielsweise aus den unter 1. genannten Diolen und Formaldehyd; sowie6. the known in polyurethane chemistry Polyacetals, for example from those mentioned under 1. Diols and formaldehyde; such as
  • 7. difunktionelle, endständige, gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähige Gruppen aufweisende Polyetherester.7. difunctional, terminal, towards isocyanate groups reactive polyetheresters.

Bevorzugt werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Dihydroxypolyester, Dihydroxypolylactone, Dihydroxypolyether und Dihydroxypolycarbonate eingesetzt.Dihydroxypolyesters, Dihydroxypolylactones, dihydroxypolyethers and dihydroxypolycarbonates used.

Als beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der selbst dispergierbaren Polyurethane mitzuverwendenden Kettenverlängerungsmittel eines unter 300 liegenden Molekulargewichts kommen beispielsweise die bei der Herstellung der Dihydroxypolyester beschriebenen niedermolekularen Diole oder auch Diamine, wie Diaminoethan, 1,6-Diaminohexan, Piperazin, 2,5-Dimethylpiperazin, 1- Amino-3-aminomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexan, 4,4′- Diaminodicyclohexylmethan, 1,4-Diaminocyclohexan, 1,2- Propylendiamin oder auch Hydrazin, Aminosäurehydrazide, Hydrazide von Semicarbazidocarbonsäuren, Bis-hydrazide und Bis-semicarbazide in Betracht.As in the inventive method for producing the self-dispersible polyurethanes to be used Chain extender of a lower than 300 Molecular weight, for example, in the production  the dihydroxy described low molecular weight Diols or diamines, such as diaminoethane, 1,6-diaminohexane, piperazine, 2,5-dimethylpiperazine, 1- Amino-3-aminomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexane, 4,4'- Diaminodicyclohexylmethane, 1,4-diaminocyclohexane, 1,2- Propylenediamine or hydrazine, amino acid hydrazides, Hydrazides of semicarbazidocarboxylic acids, bis-hydrazides and bis-semicarbazides.

Neben den genannten im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion difunktionellen Aufbaukomponenten können in besonderen Fällen, in welchen eine Verzweigung der Polyurethane erwünscht ist, auch die in der Polyurethanchemie an sich bekannten tri- und höherfunktionellen Aufbaukomponenten anteilweise mitverwendet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn monofunktionelle hydrophile Polyether eingesetzt werden. Die mittlere Funktionalität der Aufbaukomponenten soll jedoch vorzugsweise 2,1 nicht übersteigen.In addition to those mentioned in the sense of Isocyanatpolyadditionsreaktion difunctional structural components can in special cases, in which a branching of the Polyurethanes is desired, even in polyurethane chemistry known trifunctional and higher functional Components are partially shared. This is particularly advantageous when monofunctional hydrophilic polyether can be used. The middle However, functionality of the structural components should preferably 2.1 does not exceed.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren können als hydrophile Aufbaukomponenten sowohl ionische als auch nichtionische im Sinne der Isocyanat-Additionsreaktion sowohl mono- als auch difunktionelle Verbindungen eingesetzt werden; und zwarIn the method according to the invention, as hydrophilic Building components both ionic and nonionic in the sense of the isocyanate addition reaction both mono- as well as difunctional compounds are used; in fact

  • a) Diisocyanate und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion difunktionelle Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen und mit seitenständigen Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Ketten und/oder Monoisocyanate mit Ethylenoxid-Einheiten aufweisenden hydrophilen Ketten und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion monofunktionelle Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit Ethylenoxid-Einheiten aufweisenden hydrophilen Ketten unda) diisocyanates and / or in the sense of Isocyanatpolyadditionsreaktion difunctional compounds with isocyanate-reactive hydrogen atoms and with pendant ethylene oxide units  having hydrophilic chains and / or Monoisocyanates having ethylene oxide units hydrophilic chains and / or in the sense of Isocyanatpolyadditionsreaktion monofunctional compounds with isocyanate-reactive Hydrogen atoms with ethylene oxide units having hydrophilic chains and
  • b) beliebige Mono- oder Diisocyanate und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion mono- oder difunktionelle Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit kationischen Gruppen mitverwendet werden.b) any mono- or diisocyanates and / or in the sense the isocyanate polyaddition reaction mono- or difunctional Compounds with opposite isocyanate groups reactive hydrogen atoms with cationic groups are used.

Zu den bevorzugten bifunktionellen hydrophilen Aufbaukomponenten mit seitenständigen Ethylenoxid-Einheiten aufweisenden hydrophilen Ketten gehören sowohl Verbindungen der allgemeinen FormelAmong the preferred bifunctional hydrophilic structural components with pendant ethylene oxide units having hydrophilic chains include both compounds the general formula

und/oder Verbindungen der allgemeinen Formel and / or compounds of the general formula  

Besonders bevorzugte Aufbaukomponenten a) sind solche der erstgenanten allgemeinen Formel (I).Particularly preferred structural components a) are those the first general formula (I).

In den allgemeinen Formeln (I) und (II) stehen
R für einen zweiwertigen Rest, wie er durch Entfernung der Isocyanatgruppen aus einem Diisocyanat der Formel R(NCO)₂ der vorstehend genannten Art erhalten wird,
R′ für Wasserstoff oder einen minderwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise für Wassserstoff oder eine Methylgruppe,
R′′ für einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise einen unsubstituierten Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen,
X für eine Polyalkylenoxidkette mit 5 bis 90, vorzugsweise 20 bis 70 Kettengliedern, welche zumindest zu 40%, vorzugsweise zumindest zu 65% aus Ethylenoxid-Einheiten bestehen und die neben Ethylenoxid-Einheiten aus Propylenoxid-, Butylenoxid- oder Styroloxid-Einheiten bestehen, wobei unter den letztgenannten Einheiten Propylenoxid- Einheiten bevorzugt sind,
Y für Sauerstoff oder einen -NR′′′-Rest steht, wobei R′′′ bezüglich seiner Definition R′′ entspricht.
In the general formulas (I) and (II) stand
R is a divalent radical, as obtained by removal of the isocyanate groups from a diisocyanate of the formula R (NCO) ₂ of the aforementioned type,
R 'is hydrogen or an inferior hydrocarbon radical having 1 to 8 carbon atoms, preferably hydrogen or a methyl group,
R '' is a monovalent hydrocarbon radical having 1 to 12 carbon atoms, preferably an unsubstituted alkyl radical having 1 to 4 carbon atoms,
X for a polyalkylene oxide chain having 5 to 90, preferably 20 to 70 chain members which at least 40%, preferably at least 65% of ethylene oxide units and which consist of ethylene oxide units of propylene oxide, butylene oxide or styrene oxide units, wherein among the latter units propylene oxide units are preferred,
Y is oxygen or an -NR '''- radical, wherein R''' in its definition corresponds to R ''.

Die Herstellung der Verbindungen der vorstehend genannten allgemeinen Formeln (I) und (II) kann gemäß den Verfahrensweisen der DE-OS 23 14 512 bzw. 23 14 513 erfolgen, wobei in Ergänzung dort gemachten Offenbarung darauf hingewiesen wird, daß anstelle der dort als Ausgangsmaterial erwähnten monofunktionellen Polyetheralkohole auch solche eingesetzt werden können, deren Polyethersegment außer Ethylenoxid-Einheiten auch bis zu 60 Gew.-%, bezogen auf Polyethersegment, an Propylenoxid-, Butylenoxid- oder Styroloxid-, vorzugsweise Propylenoxid- Einheiten aufweisen. Der Anteil derartiger "gemischter Polyethersegmente" kann in speziellen Fällen spezifische Vorteile mit sich bringen.The preparation of the compounds of the above general formulas (I) and (II) can be prepared according to Procedures of DE-OS 23 14 512 and 23 14 513 be made, where supplemented there revelation It should be noted that instead of there as a starting material mentioned monofunctional polyether alcohols it is also possible to use those whose polyether segment except ethylene oxide units also up to 60% by weight, based on the polyether segment, of propylene oxide, Butylene oxide or styrene oxide, preferably propylene oxide Have units. The proportion of such "mixed polyether segments" can be used in special cases specific benefits.

Weitere besonders bevorzugte hydrophile Aufbaukomponenten zum Einbau endständiger oder seitenständiger hydrophiler Ethylenoxideinheiten aufweisender Ketten sind Verbindungen der FormelFurther particularly preferred hydrophilic structural components for installation of terminal or lateral hydrophilic ethylene oxide units containing chains are compounds of the formula

H-X-Y-R′′H-X-Y-R ''

und/oder Verbindungen der Formeland / or compounds of the formula

OCN-R-NH-CO-X-Y-R′′OCN-R-NH-CO-X-Y-R ''

wobei
X, Y, R und R′′ die für die allgemeinen Formeln (I) und (II) erläuterte Bedeutung haben.
in which
X, Y, R and R "have the meaning explained for the general formulas (I) and (II).

Vorzugsweise werden monofunktionelle Polyether jedoch nur in Molmengen von ≦ 10%, bezogen auf das verwendete Polyisocyanat eingesetzt, um den gewünschten hochmolekularen Aufbau der Polyurethan-Elastomeren zu gewährleisten. Bei der Verwendung größerer Molmengen an monofunktionellen Alkylenoxidpolyethern ist die Mitverwendung von trifunktionellen gegenüber Isocyanat reaktive Wasserstoffatome aufweisenden Verbindungen von Vorteil, jedoch soll die mittlere Funktionalität der Aufbaukomponenten (Polyisocyanate sowie Polyhydroxylverbindungen) vorzugsweise 2,1 nicht übersteigen.Preferably, however, monofunctional polyethers become only in molar amounts of ≦ 10%, based on the used Polyisocyanate used to produce the desired high molecular weight To ensure construction of the polyurethane elastomers. When using larger molar amounts of monofunctional Alkylenoxidpolyethern is the concomitant use of trifunctional isocyanate-reactive Hydrogen-containing compounds of advantage, however, the average functionality of the build components is supposed to be (Polyisocyanates and polyhydroxyl compounds) preferably not exceed 2.1.

Die Herstellung der monofunktionellen hydrophilen Aufbaukomponenten erfolgt in Analogie zu den DE-OS 23 14 512 oder 23 14 513 bzw. in US-PS 39 05 929 oder 39 20 598 beschriebenen Verfahren durch Alkoxylierung eines monofunktionellen Starters, wie z. B. n-Butanol oder n-Methyl-butylamin, unter Verwendung von Ethylenoxid und gegebenenfalls einem weiteren Alkylenoxid, z. B. Propylenoxid, sowie gegebenenfalls weitere, jedoch weniger bevorzugte, Modifizierung der so erhältlichen einwertigen Polyetheralkohole durch Umsetzung mit überschüssigen Mengen an Diisocyanaten bzw. durch Umsetzung mit Amoniak zu den entsprechenden primären Aminopolyethern. The preparation of the monofunctional hydrophilic structural components takes place in analogy to the DE-OS 23 14 512 or 23 14 513 or in US-PS 39 05 929 or 39 20 598 described method by alkoxylation a monofunctional starter, such as. B. n-butanol or n-methyl-butylamine, using ethylene oxide and optionally a further alkylene oxide, for. For example, propylene oxide, and optionally other, but less preferred, Modification of the monovalent so available Polyether alcohols by reaction with excess Amounts of diisocyanates or by reaction with ammonia to the corresponding primary aminopolyethers.  

Erfindungswesentliche Aufbaukomponenten b) sind vorzugsweise im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion mono- oder difunktionelle Verbindungen mit eingebauten tertiären Aminstickstoffatomen, die nach erfolgtem Aufbau des Polyurethans durch Quaternierung und/oder Neutralisation in die entsprechenden Ammoniumionen überführt werden. Beispiele derartiger Verbindungen sind in US-PS 34 79 310, Spalte 4, Zeilen 11 bis 62, erwähnt. Geeignete Neutralisations- oder Quaternierungsmittel sind beispielsweise in dem US-Patent in Spalte 6, Zeilen 14 bis 25, genannnt.Essential components of the invention b) are preferably in the sense of the isocyanate polyaddition reaction mono- or difunctional compounds with built-in tertiary amine nitrogen atoms, which after completion of construction of the polyurethane by quaternization and / or neutralization converted into the corresponding ammonium ions become. Examples of such compounds are in US-PS 34 79 310, column 4, lines 11 to 62, mentioned. Suitable neutralizing or quaternizing agents are, for example, in the US patent in column 6, lines 14 to 25, called.

Für den Einbau von gegenüber den Ammoniumgruppen weniger bevorzugten tertiären Sulfoniumgruppen in das Polyurethan werden beispielsweise die in der US-PS 34 19 533, Spalte 3, Zeile 75, bis Spalte 4, Zeile 51, aufgeführten Verbindungen als Aufbaukomponenten eingesetzt.For incorporation of less than the ammonium groups preferred tertiary sulfonium groups in the polyurethane For example, in US-PS 34 19 533, column 3, line 75, to column 4, line 51, listed compounds used as structural components.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Art und Menge der Komponenten a) so gewählt, daß in den erfindungsgemäßen Polyurethanen 2 bis 10, vorzugsweise 4 bis 8 Gew.-% an seiten- oder endständig eingebauten Ethylenoxid- Einheiten -CH₂-CH₂-O- vorliegen. Die Art und Menge bzw. der Neutralisations- oder Quaternierungsgrad der Komponenten b) wird beim erfindungsgemäßen Verfahren so gewählt, daß in den erfindungsgemäßen Polyurethanen 16 bis 100 Milliäquivalent pro 100 g, vorzugsweise 16 bis 40 Milliäquivalent pro 100 g an =N⊕=,In the method according to the invention, the type and amount the components a) chosen so that in the inventive Polyurethanes 2 to 10, preferably 4 to 8% by weight of side or terminal ethylene oxide Units -CH₂-CH₂-O- present. The kind and Quantity or the degree of neutralization or quaternization the components b) is used in the process according to the invention chosen so that in the polyurethanes of the invention 16 to 100 milliequivalents per 100 g, preferably 16 to 40 milliequivalents per 100 g an = N⊕ =,

vorliegen. Vorzugsweise liegt die Summe der Anzahl der Milliäquivalent eingebauter ionischer Gruppen pro 100 g Polyurethan und der Anzahl an "Pseudomilliäquivalenten" an eingebauten seitenständigen Ethylenoxid-Einheiten pro 100 g Polyurethan bei 20 bis 120 und besonders bevorzugt zwischen 24 und 56.available. Preferably lies  the sum of the number of milliequivalents incorporated ionic groups per 100 g of polyurethane and the number at "pseudomilli equivalents" at built-in pendent ones Ethylene oxide units per 100 g of polyurethane at 20 to 120 and more preferably between 24 and 56th

Unter einem "Pseudomilliäquivalent" an seitenständig oder endständig eingebauten Ethylenoxid-Einheiten soll hierbei die Menge an innerhalb einer Polyalkylenoxid- Kette eingebauten Ethylenoxid-Einheiten verstanden werden, die zur Dispergierbarkeit des Polyurethans in Wasser den gleichen Betrag liefert wie ein Milliäquivalent an eingebauten ionischen Gruppen. Die Wirksamkeit der vorstehend genannten ionischen Gruppen bezüglich ihres Beitrags zur Dispergierbarkeit des Polyurethans hängt ausschließlich von der Anzahl der Milliäquivalent ionischer Gruppen und nicht von der Art der ionischen Gruppen ab. Bei den wäßrigen Polyurethandispersionen hängt der mittlere Teilchendurchmesser der dispergierten Polyurethanteilchen von der Konzentration der eingebauten hydrophilen Zentren im Polyurethan ab. So steigt im allgemeinen die mittlere Teilchengröße bei ansonsten analogem Aufbau des Polyurethans mit sinkender Konzentration an hydrophilen Zentren. Wie sich aufgrund eingehender Studien der Anmelderin herausstellte, kann man in einem beliebigen, in Wasser dispergierbaren, ausschließlich ionisch modifiziertem Polyurethan bei ansonsten völlig analogem Molekülaufbau die ionischen Gruppen stets durch eine bestimmte Menge an seitenständig innerhalb einer Polyetherkette angeordnetem Ethylenoxid so ersetzen, daß ein entsprechendes ausschließlich nichtionisch modifiziertes Polyurethan erhalten wird, das in in Wasser dispergierter Form die gleiche mittlere Teilchengröße aufweist, (wobei eine analoge Herstellungsweise der Polyurethandispersion vorausgesetzt wird), wenn die im ionisch modifizierten Polyurethan vorliegenden Milliäquivalent an ionischen Gruppen durch die gleiche Anzahl an "Pseudomilliäquivalenten" an nicht ionischen Gruppen ersetzt werden. So entsprechen einem Milliäquivalent an eingebauten ionischen Gruppen 0,5 g seitenständig innerhalb einer Polyetherkette eingebauten Ethylenoxid-Einheiten. Unter einem "Pseudomilliäquivalent" an nichtionischen Gruppen sind demzufolge 0,5 g an seitenständig innerhalb einer Polyetherkette eingebauten Ethylenoxid-Einheiten zu verstehen. Demzufolge weist beispielsweise eine wäßrige Dispersion eines ausschließlich ionisch modifizierten Polyurethans mit einem Gehalt an 16 Milliäquivalent pro 100 g an einer der genannten ionischen Gruppen dispergierte Polyurethanpartikel mit dem gleichen mittleren Teilchendurchmesser auf wie eine analog aufgebaute und hergestellte ausschließlich nichtionische modifizierte Polyurethandispersion mit einem Gehalt an 8 g pro 100 g an innerhalb einer Polyetherkette eingebautem Ethylenoxid.Under a "Pseudomilliäquivalent" on pending or terminally incorporated ethylene oxide units here the amount of within a polyalkylene oxide Chain understood built-in ethylene oxide units be the dispersibility of the polyurethane in Water delivers the same amount as a milliequivalent on incorporated ionic groups. The effectiveness the above-mentioned ionic groups with respect their contribution to the dispersibility of the polyurethane depends solely on the number of milliequivalents ionic groups and not of the ionic type Groups off. In the aqueous polyurethane dispersions depends on the average particle diameter of the dispersed Polyurethane particles from the concentration of the built-in hydrophilic centers in the polyurethane. Sun rises in the general, the average particle size in otherwise analogous structure of the polyurethane with decreasing concentration at hydrophilic centers. As a result of incoming Studies of the applicant turned out, one can in any water-dispersible, exclusive ionically modified polyurethane in otherwise completely analogous molecular structure the ionic Groups always by a certain amount of lateral arranged within a polyether chain  Replace ethylene oxide so that a corresponding exclusive obtained nonionically modified polyurethane is in water-dispersed form the has the same average particle size, (wherein a analogous preparation of the polyurethane dispersion is assumed), if those in ionic modified Polyurethane present milliequivalent to ionic Groups by the same number of "pseudomillie equivalents" be replaced on nonionic groups. So correspond to one milliequivalent of incorporated ionic Groups 0.5 g lateral within one Polyether chain built-in ethylene oxide units. Under a "pseudomilli equivalent" to nonionic groups are therefore 0.5 g of lateral within a Polyether chain incorporated ethylene oxide units too understand. Accordingly, for example, an aqueous Dispersion of an exclusively ionically modified Polyurethane containing 16 milliequivalents per 100 g dispersed on one of said ionic groups Polyurethane particles with the same middle Particle diameter on like an analogously constructed and prepared exclusively nonionic modified Polyurethane dispersion containing 8 g per 100 g to ethylene oxide incorporated within a polyether chain.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der selbstdispergierbaren Polyurethane kann nach den an sich bekannten Methoden der Polyurethanchemie sowohl nach dem Einstufen- als auch dem Zweistufen Verfahren (Prepolymer-Verfahren) erfolgen.The implementation of the method according to the invention for Preparation of self-dispersible polyurethanes can according to the known methods of polyurethane chemistry  both after the one-step and the two-step Procedure (prepolymer method) take place.

Bei der Herstellung der selbstdispergierbaren Polyurethane kommen die Reaktionspartner in einem Äquivalentverhältnis von Isocyanatgruppen zu gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Gruppen von 0,8 : 1 bis 2,5 : 1, vorzugsweise von 0,95 : 1 bis 1,5 : 1 zum Einsatz. Bei der Verwendung eines NCO-Überschusses entstehen dabei naturgemäß NCO-Gruppen aufweisende Verbindungen, die bei ihrer Überführung in eine wäßrige Dispersion mit dem Wasser unter Kettenverlängerung zu dem dispergierten Endprodukt weiterreagieren. Dementsprechend beinhaltet das angegebene Äquivalentverhältnis alle am Aufbau der erfindungsgemäßen Polyurethane beteiligten Komponenten inklusive dem gegebenenfalls in Form wäßriger Lösungen verwendeten Aminogruppen aufweisenden Kettenverlängerungsmittel, nicht jedoch den Anteil des zur Dispergierung der Polyurethane eingesetzten Wassers, welches mit gegebenenfalls vorliegenden NCO-Gruppen aufweisenden Verbindungen unter Kettenverlängerungsproduktion reagiert.In the preparation of self-dispersible polyurethanes the reactants come in an equivalent ratio from isocyanate groups to isocyanate groups reactive groups of 0.8: 1 to 2.5: 1, preferably from 0.95: 1 to 1.5: 1 used. In the Use of an NCO excess naturally arise NCO group-containing compounds that are found in their conversion into an aqueous dispersion with the Water with chain extension to the dispersed Reactivate the final product. Accordingly includes the given equivalent ratio all at the construction of the Polyurethane according to the invention involved components including optionally in the form of aqueous solutions used amino-containing chain extender, but not the proportion of the dispersion the polyurethane used water, which having optionally present NCO groups Compounds under chain extension production react.

Sowohl bei der Durchführung des Einstufen- als auch des Zweistufen-Verfahrens kann in Gegenwart oder auch Abwesenheit von Lösungsmitteln gearbeitet werden. Geeignete Lösungsmittel, insbesondere wenn - wie nachstehend beschrieben - während oder im Anschluß an die Polyurethanherstellung die Überführung der Polyurethane in eine wäßrige Dispersion beabsichtigt ist, sind beispielsweise mit Wasser mischbare, gegenüber Isocyanatgruppen indifferente Lösungsmittel mit einem unter 100°C liegenden Siedepunkt, wie z. B. Aceton oder Methylethylketon.Both in the implementation of the single-stage and the Two-step procedure can be in presence or absence be worked by solvents. suitable Solvent, especially if - as below described - during or after the polyurethane production the transfer of the polyurethanes in one  aqueous dispersion is intended, for example water-miscible, indifferent to isocyanate groups Solvent with a lying below 100 ° C. Boiling point, such. As acetone or methyl ethyl ketone.

Bei der Durchführung des Einstufenverfahrens werden bevorzugt die unter 1. bis 7. genannten difunktionellen endständige, gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähige Gruppen aufweisenden Verbindungen des Molekulargewichtsbereichs von 500 bis 6000 mit den hydrophilen Komponenten a) und b) sowie dem gegebenenfalls mitzuverwendenden Kettenverlängerungsmittel eines unter 300 liegenden Molekulargewichts gemischt. Der so erhaltenen Mischung wird anschließend das Diisocyanat in Abwesenheit von Lösungsmitteln zugegeben, wonach das Reaktionsgemisch vorzugsweise bei 50 bis 150°C liegenden Temperaturen, gegebenenfalls nach Zugabe der in der Polyurethanchemie an sich bekannten Katalysatoren zur Reaktion gebracht wird. Die Menge der Diisocyanate wird hierbei so gewählt, daß ein NCO/OH-Verhältnis von 0,8 bis 1,05 vorliegt. Während der Reaktion steigt die Viskosität der Reaktionsmischung an, so daß der Mischung nach und nach eines der genannten Lösungsmittel zugegeben wird. Schließlich wird eine organische Lösung des ausreagierten Polyurethans erhalten, deren Konzentration vorzugsweise auf 10 bis 70, insbesondere 15 bis 55 Gew.-% Feststoff eingestellt wird. Bei diesem Einstufen-Verfahren empfiehlt sich insbesondere die Verwendung von tertiären Aminen mit 2 alkoholischen Hydroxylgruppen als Komponente b). Falls als Komponente b) Verbindungen eingesetzt werden, welche in kationische Gruppen überführbare Gruppen aufweisen, empfiehlt sich diese Überführung durch an sich bekannte Neutralisation oder Quaternierung im Anschluß an die Polyadditionsreaktion entweder in organischer Lösung oder dergestalt, daß das in organischer Lösung vorliegende Polyurethan während seiner Überführung in eine wäßrige Dispersion durch im Wasser vorliegende Neutralisationsmittel neutralisiert wird.In carrying out the one-step process are preferred the difunctional ones mentioned under 1. to 7. terminal, isocyanate-reactive Group containing compounds of the molecular weight range from 500 to 6000 with the hydrophilic components a) and b) as well as, if applicable, to be used Chain extender of a lower than 300 Molecular weight mixed. The thus obtained Mixture is then the diisocyanate in the absence of solvents, after which the reaction mixture preferably at 50 to 150 ° C temperatures, optionally after addition of the in polyurethane chemistry known catalysts for the reaction is brought. The amount of diisocyanates is hereby chosen so that an NCO / OH ratio of 0.8 to 1.05 is present. During the reaction, the viscosity of the Reaction mixture, so that the mixture gradually one of said solvents is added. Finally, an organic solution of the reacted Polyurethane, their concentration preferably to 10 to 70, in particular 15 to 55 wt .-% Solid is set. In this one-step process In particular, the use of tertiary amines having 2 alcoholic hydroxyl groups as  Component b). If used as component b) compounds which are convertible into cationic groups Groups, this transfer is recommended by per se known neutralization or quaternization following the polyaddition reaction either in organic solution or in such a way that that in organic Solution present polyurethane during his Transfer into an aqueous dispersion by in the water present neutralizing agent is neutralized.

Die Überführung der gelösten Polyurethanelastomeren in eine wäßrige Dispersion erfolgt dann zweckmäßigerweise durch Zugabe von Wasser zu der gerührten Lösung. Dabei wird in vielen Fällen die Phase einer Wasser-in-Öl-Emulsion durchlaufen, wonach sich unter gleichzeitiger Überwindung eines Viskositätsmaximums der Umschlag in eine Öl-in-Wasser Emulsion ergibt. Nach destillativer Entfernung des Lösungsmittels bleibt eine rein wäßrige stabile Dispersion zurück.The transfer of the dissolved polyurethane elastomers in an aqueous dispersion is then expediently carried out by adding water to the stirred solution. there in many cases becomes the phase of a water-in-oil emulsion go through, after which, while overcoming a maximum viscosity of the envelope in one Oil-in-water emulsion yields. After distillative removal the solvent remains a purely aqueous stable dispersion back.

Bei der Durchführung des Zweistufenverfahrens wird vorzugsweise zunächst in der Schmelze aus überschüssigem Diisocyanat, höhermolekularer Verbindung mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Gruppen der unter 1. bis 7. beispielhaft genannten Art sowie hydrophilen Komponenten a) und b) unter Einhaltung eines NCO/OH-Verhältnisses von 1,1 : 1 bis 3,5 : 1, vorzugsweise von 1,2 : 1 bis 2,5 : 1 in Abwesenheit von Lösungsmitteln oder auch bereits in Gegenwart von Lösungsmitteln ein NCO-Prepolymeres hergestellt, welches bei Abwesenheit von Lösungsmitteln anschließend in einem geeigneten Lösungsmittel aufgenommen wird. Die so erhaltene Lösung des Prepolymeren kann dann in an sich bekannter Weise mit dem Kettenverlängerungsmittel der beispielhaft aufgeführten Art eines unter 300 liegenden Molekulargewichts zur Reaktion gebracht werden. Zur Herstellung der Polyurethandispersionen empfiehlt sich eine besondere Variante des Zweistufenverfahrens, bei welcher die beschriebene Lösung des NCO-Prepolymeren mit der Lösung des Kettenverlängerungsmittels - hier werden bevorzugt die genannten Diamine bzw. Hydrazinderivate als Kettenverlängerungsmittel eingesetzt - in geringen Mengen Wasser oder in einem Wasser/Lösungsmittelgemisch so versetzt wird, daß das NCO/NH-Verhältnis zwischen 2,5 und 1,05 liegt. Diese Umsetzung kann bei Raumtemperatur oder auch vorzugsweise bei 25 bis 60°C erfolgen. Durch nachträgliche Zugabe des restlichen Wassers und anschließender Entfernung des Lösungsmittels wird schließlich die Polyurethan-Dispersion erhalten. Es ist bei dieser Verfahrensvariante jedoch auch möglich, das Kettenverlängerungsmittel in der Gesamtmenge des in der Dispersion schließlich vorliegenden Wassers (50 bis 200 Gew.-%, bezogen auf festes Polyurethan) zu lösen.In carrying out the two-stage process is preferably initially in the melt from excess Diisocyanate, higher molecular weight compound with opposite Isocyanate groups reactive groups of less than 1. to 7. exemplified type and hydrophilic components a) and b) while maintaining an NCO / OH ratio from 1.1: 1 to 3.5: 1, preferably 1.2: 1 to 2.5: 1 in the absence of solvents or else already in the presence of solvents an NCO prepolymer prepared, which in the absence of solvents  then in a suitable solvent is recorded. The solution of the prepolymer thus obtained can then in a conventional manner with the Chain extenders exemplified Type of molecular weight below 300 for Be brought reaction. For the preparation of the polyurethane dispersions We recommend a special variant the two-stage process in which the described Solution of the NCO prepolymer with the solution of the chain extender - Here are the preferred Diamines or hydrazine derivatives as chain extenders used - in small quantities of water or in a water / solvent mixture is added, that the NCO / NH ratio is between 2.5 and 1.05. This reaction may be at room temperature or also preferably be carried out at 25 to 60 ° C. By subsequent Add the remaining water and then remove the solvent eventually becomes the polyurethane dispersion receive. It is in this process variant but also possible, the chain extender in the total amount in the dispersion eventually present water (50 to 200 wt .-%, based on solid polyurethane).

Das beschriebene Zweistufenverfahren kann jedoch auch ohne größere Schwierigkeiten lösungsmittelfrei durchgeführt werden, und zwar dergestalt, daß man das beschriebene NCO-Prepolymere lösungsmittelfrei herstellt und als Schmelze in das Wasser einrührt, wobei auch hier die genannten Aminogruppen aufweisenden Kettenverlängerungsmittel in im Wasser gelöster Form vorliegen können. However, the described two-stage process can also carried out without major difficulties solvent-free become, in such a way that one describes the described Produces NCO prepolymers solvent-free and as Melt stirred into the water, where also mentioned Amino-containing chain extender may be in dissolved form in the water.  

Die erfindungsgemäß herstellbaren in Wasser dispergierbaren Polyurethanelastomeren sind vorzugsweise von überwiegend linearem Molekularaufbau und sind durch einen Gehalt an seitenständig oder endständig einer Polyetherkette eingebautem Ethylenoxid von 2 bis 10, vorzugsweise von 4 bis 8 Gew.-% und einem Gehalt an =N⊕= oder -S⊕- Gruppen von 16 bis 100, vorzugsweise von 16 bis 40, Milliäquivalent pro 100 g gekennzeichnet. Vorzugsweise ist die seitenständige Polyalkylenoxidkette, die die erfindungswesentlichen Ethylenoxid-Einheiten aufweist, über GruppierungenThe present invention can be prepared in water-dispersible Polyurethane elastomers are preferably predominantly Linear molecular structure and are by a Content of pendant or terminal of a polyether chain incorporated ethylene oxide of 2 to 10, preferably from 4 to 8 wt .-% and a content of = N⊕ = or -S⊕- Groups from 16 to 100, preferably from 16 to 40, Milliequivalent per 100 g. Preferably is the pendant polyalkylene oxide chain which is essential to the invention Having ethylene oxide units, about groupings

  • i) der allgemeinen Formel oderi) the general formula or
  • ii) der allgemeinen Formel verbunden, wobei
    R, R′′, X und Y die vorstehend genannte Bedeutung haben.
    ii) the general formula connected, where
    R, R ", X and Y have the abovementioned meaning.

Grundsätzlich können die erfindungsgemäß herstellbaren Polyurethane nach beliebigen Verfahren in wäßrige Dispersionen überführt werden. Zu erwähnen wären hier als Beispiele die Dispergierung, ohne Verwendung von Lösern, z. B. durch Vermischung der Polyurethanschmelze mit Wasser in Geräten, die hohe Schergefälle erzeugen können, sowie die Verwendung von sehr geringen Mengen Lösungsmitteln zur Plastifizierung bei der Verarbeitung in den gleichen Geräten, weiterhin die Zuhilfenahme nicht mechanischer Dispergiermittel, wie Schallwellen extrem hoher Frequenz. Schließlich ist auch bei Polyurethanharnstoffen die Kettenverlängerung nach der Überführung der Prepolymeren in eine wäßrige Emulsion möglich. Es können jedoch auch einfach Mischer, z. B. Rührkessel oder sogenannte Durchlaufmischer Verwendung finden, da die erfindungsgemäß hergestellten Polyurethane selbstdispergierbar sind.In principle, the invention can be produced Polyurethanes by any method in aqueous Dispersions are transferred. To mention here would be as examples the dispersion, without use of Solver, z. B. by mixing the polyurethane melt with water in devices that produce high shear rates can, as well as the use of very small quantities Solvents for plasticizing during processing in the same devices, continue to use non-mechanical dispersing agents, such as sound waves extremely high frequency. Finally, polyurethaneureas are also used the chain extension after the Transfer of prepolymers into an aqueous emulsion possible. However, it is also easy mixer, z. B. Stirred tank or so-called continuous mixer use find because the polyurethanes produced according to the invention are self-dispersible.

Die erfindungsgemäß hergestellten dispergierten Polyurethane besitzen eine mittlere Teilchengröße von < 300 mµ, vorzugsweise von 10 bis 250 mµ.The dispersed polyurethanes prepared according to the invention have an average particle size of <300 mμ, preferably from 10 to 250 mμ.

Dies ist der Teilchengrößenbereich innerhalb dessen bei üblichen kationischen Dispersionen die größte Empfindlichkeit gegenüber Elektrolytzusätzen besteht. Die Dispersionen sind opak bis durchscheinend und zeigen ausgeprägten Tyndalleffekt, insbesondere wenn sie auf ca. 10% Feststoffgehalt verdünnt werden. This is the particle size range within it usual cationic dispersions the greatest sensitivity consists of electrolyte additives. The Dispersions are opaque to translucent and show pronounced Tyndalleffekt, especially when on about 10% solids content are diluted.  

Das rheologische Verhalten der Dispersionen, auf das im einzelnen nicht eingegangen werden soll, hängt von der Teilchengröße und der Konzentration ab. Beim Übergang zu kleineren Teilchen nimmt die Viskosität zu, außerdem tritt unterhalb einer Größe von ca. 100 mµ eine zunehmend höhere Fließgrenze auf (Bingham-Körper). Unbeschadet dieser Abhängigkeit erhöht sich die Viskosität mit zunehmender Konzentration, die bei dieser Klasse von Dispersionen bis zu 65% betragen kann, z. T. bis zu einer Größe von 5 Pa.s.The rheological behavior of the dispersions, on the individual should not be taken depends on the Particle size and concentration. At the transition to smaller particles, the viscosity increases, as well occurs below a size of about 100 mμ one increasingly higher yield point (Bingham body). unscathed this dependence increases the viscosity with increasing concentration in this class of Dispersions can be up to 65%, z. T. up to a size of 5 Pa.s.

Die Dispersionen sind trotz ihres Gehaltes an kationischen Gruppen weitgehend unempfindlich gegen Elektrolyte; dies erlaubt z. B. die sauer katalysierte Vernetzung der Latexteilchen mit Formaldehyd oder Formaldehydderivaten; ebenso ist ihre Pigmentierung mit elektrolyt-aktiven Pigmenten oder Farbstoffen möglich.The dispersions, despite their content of cationic Groups largely insensitive to electrolytes; this allows z. As the acid catalyzed crosslinking the latex particles with formaldehyde or formaldehyde derivatives; as is their pigmentation with electrolyte-active pigments or dyes possible.

Die Dispersionen können mit anderen kationischen oder nichtionischen Dispersionen verschnitten werden, wie z. B. mit Polyvinylacetat, Polyethylen-, Polystyrol-, Polybutadien-, Polyvinylchlorid-, Polyacrylat- und Copolymerisat- Kunststoff-Dispersionen. Auch der Zusatz von an sich bekannten chemisch nicht fixierten, vorzugsweise ionischen Emulgatoren ist möglich, jedoch selbstverständlich nicht erforderlich.The dispersions can be combined with other cationic or nonionic dispersions are blended as z. With polyvinyl acetate, polyethylene, polystyrene, Polybutadiene, polyvinyl chloride, polyacrylate and copolymer Plastic dispersions. Also the addition of known chemically non-fixed, preferably ionic emulsifiers is possible, but of course not mandatory.

Schließlich können auch Füllstoffe, Weichmacher, Pigmente, Ruß- und Kieselsäuresole, Aluminium-, Ton-, Asbest-Dispersionen in die Dispersionen eingearbeitet werden. Finally, fillers, plasticizers, Pigments, carbon black and silica sols, aluminum, clay, Asbestos dispersions incorporated into the dispersions become.  

Die Dispersionen der Polyurethane in Wasser sind meist stabil, lager- und versandfähig und können zu beliebig späterem Zeitpunkt, z. B. formgebend, verarbeitet werden. Sie trocknen im allgemeinen unmittelbar zu formstabilen Kunststoffüberzügen auf, jedoch kann die Formgebung der Verfahrensprodukte auch in Gegenwart von an sich bekannten Vernetzungsmitteln erfolgen. Je nach der gewählten chemischen Zusammensetzung und dem Gehalt an Urethangruppen erhält man Polyurethane mit unterschiedlichen Eigenschaften. So können weiche klebrige Massen, thermoplastische und gummielastische Produkte der verschiedensten Härtegrade bis zu glasharten Duroplasten erhalten werden. Die Hydrophilie der Produkte kann ebenfalls in gewissen Grenzen schwanken. Die elastischen Produkte lassen sich bei höheren Temperaturen, beispielsweise 100 bis 180°C thermoplastisch verarbeiten, sofern sie nicht chemisch vernetzt sind.The dispersions of polyurethanes in water are mostly Stable, storable and ready to ship and can be used as desired later date, z. B. shaping, processed. They generally dry immediately to dimensionally stable Plastic coatings on, however, the shape of the Process products also in the presence of known per se Crosslinking agents take place. Depending on the chosen chemical composition and content Urethane groups are obtained with polyurethanes with different Properties. So soft sticky masses, thermoplastic and rubber-elastic products of various kinds Hardness up to glass-hard thermosets to be obtained. The hydrophilicity of the products can also to fluctuate within certain limits. The elastic Products can be at higher temperatures, for example 100 to 180 ° C thermoplastic process, unless they are chemically crosslinked.

Die Verfahrensprodukte sind zur Beschichtung bzw. zum Überziehen und zum Imprägnieren von gewebten und nichtgewebten Textilien, Leder, Papier, Holz, Metallen, Keramik, Stein, Beton, Bitumen, Hartfaser, Stroh, Glas, Porzellan, Kunststoffen der verschiedensten Art, Glasfasern, zur antistatischen und knitterfreien Ausrüstung, als Binder für Vliese, Klebstoffe, Haftvermittler, Kaschierungsmittel, Hydrophobiermittel, Weichmacher, Bindemittel, z. B. Kork- oder Holzmehl, Glasfasern, Asbest, papierartige Materialien, Plastik- oder Gummiabfälle, keramische Materialien, als Hilfsmittel im Zeugdruck und in der Papierindustrie, als Zusatz zu Polymerisaten, als Schlichtemittel, beispielsweise für Glasfasern, und zur Lederausrüstung geeignet.The process products are for coating or for Coating and impregnating of woven and non-woven Textiles, Leather, Paper, Wood, Metals, Ceramics, Stone, Concrete, Bitumen, Hardboard, Straw, Glass, Porcelain, plastics of various kinds, glass fibers, for antistatic and wrinkle-free equipment, as a binder for nonwovens, adhesives, adhesion promoters, laminating agents, Water repellents, plasticizers, Binders, e.g. Cork or wood flour, glass fibers, Asbestos, paper-like materials, plastic or rubber waste, ceramic materials, as auxiliaries in the Styria and in the paper industry, as an addition to  Polymers, as sizing agents, for example Glass fibers, and suitable for leather equipment.

Vorzugsweise werden die Dispersionen bzw. Pasten dabei auf eine poröse Unterlage appliziert, die anschließend mit dem Fertigprodukt verbunden bleibt, wie z. B. gewebte oder nichtgewebte textile Gebilde bzw. Fasermatten, Filze oder Vliese, auch Papiervliese, Schaumstoff-Folien oder Spaltleder, die vermögen ihrer Saugwirkung eine sofortige Verfestigung des Überzuges bewirken. Anschließend wird bei erhöhter Temperatur getrocknet und gegebenenfalls verpreßt. Die Trocknung kann aber auch auf glatten porösen oder nichtporösen Materialien, z. B. Metall, Glas, Papier, Karton, keramischen Materialien, Stahlblech, Silikon-Kautschuk und Aluminiumfolie, erfolgen, wobei das fertige Flächengebilde anschließend abgehoben und als solches verwendet bzw. nach dem Umkehrverfahren durch Kleben, Flammkaschieren, Kalandern auf ein Substrat aufgebracht wird. Die Applikation nach dem Umkehrverfahren kann dabei zu einem beliebigen Zeitpunkt vorgenommen werden.Preferably, the dispersions or pastes are included applied to a porous pad, which subsequently remains connected to the finished product, such. B. woven or nonwoven textile structures or fiber mats, Felts or fleeces, also paper fleeces, foam foils or split leather, the assets of their suction instant Solidification of the coating effect. Subsequently is dried at elevated temperature and optionally pressed. The drying can also be on smooth porous or nonporous materials, e.g. B. Metal, glass, paper, cardboard, ceramic materials, Steel sheet, silicone rubber and aluminum foil, take place, the finished sheet subsequently lifted and used as such or by the inversion method by gluing, flame lamination, calendering is applied to a substrate. The application after The reversal process can be at any time be made.

Durch Mitverwendung von Vinylpolymerisaten oder aktiven bzw. inaktiven Füllstoffen kann man die Eigenschaften der Verfahrensprodukte abwandeln. Verwendbar sind beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylacetat, Ethylen-Vinylacetat-Copolymerisate, die gegebenenfalls (teilweise) verseift und/oder mit Vinylchlorid gepfropft sein können, Styrol-Butadien-Copolymerisate, Ethylen- (Pfropf)-Copolymerisate, Polyacrylate, Ruß, Kieselsäure, Asbest, Talkum, Kaolin, Titandioxid, Glas als Pulver oder in Form von Fasern und Cellulose. Je nach gewünschtem Eigenschaftsbild und Verwendungszweck der Endprodukte können bis zu 70 Gew.-%, bezogen auf Gesamttrockensubstanz, solcher Füllstoffe im Endprodukt enthalten sein.By concomitant use of vinyl polymers or active or inactive fillers you can see the properties modify the process products. Usable are, for example Polyethylene, polypropylene, polyvinyl acetate, Ethylene-vinyl acetate copolymers, optionally (partially) saponified and / or grafted with vinyl chloride may be styrene-butadiene copolymers, ethylene (Graft) copolymers, polyacrylates, carbon black, silica,  Asbestos, talc, kaolin, titanium dioxide, glass powder or in the form of fibers and cellulose. Depending on the desired Property picture and purpose of the final products can be up to 70% by weight, based on the total dry matter, such fillers contained in the final product his.

Selbstverständlich können auch Farbstoffe, Pigmente, Weichmacher oder die rheologischen Eigenschaften beeinflussende Zusätze beigefügt werden.Of course, dyes, pigments, Plasticizer or the rheological properties influencing Additions are attached.

Die Trocknung der nach verschiedenen Applikationstechniken erhaltenen Produkte kann bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur erfolgen. Die im Einzelfall zu wählende Trocknungstemperatur, die außer von der chemischen Zusammensetzung des Materials vor allem von Feuchtigkeitsgehalt, der Trockenzeit und der Schichtdicke abhängt, wird leicht durch einen Vortest ermittelt. Bei gegebener Erhitzungszeit muß die Trockentemperatur in jedem Fall unter der Verfestigungstemperatur liegen.The drying of various application techniques obtained products can at room temperature or be carried out at elevated temperature. Which in the individual case too choosing drying temperature, except from the chemical Composition of the material mainly of Moisture content, drying time and layer thickness depends, is easily determined by a pre-test. For a given heating time, the drying temperature in any case below the solidification temperature lie.

Anschließend können die Flächengebilde zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit ihrer Oberfläche mit einer Appretur überzogen werden. Bevorzugt werden hierfür wiederum wäßrige Dispersionen oder Lösungen verwendet.Subsequently, the fabrics can increase the resistance of their surface with a Finishing be coated. Preference will be this in turn, aqueous dispersions or solutions used.

Aus feinteiligen Dispersionen und Solen erhaltene sehr harte Polyurethane sind als Einbrennlacke und teilweise sogar als lufttrocknende Lacke geeignet. Sie verbinden hohe Härte und Elastizität mit gutem Hochglanz und - bei Verwendung mit aliphatischen Diisocyanaten - mit guter Licht- und Wetterechtheit.Of finely divided dispersions and sols obtained very Hard polyurethanes are as baked enamels and partly even suitable as air-drying paints. They connect  high hardness and elasticity with good gloss and - at Use with aliphatic diisocyanates - with good Light and weather fastness.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Zusammensetzung, Herstellung und einige physikalische Eigenschaften erläutern. The following examples are intended to describe the composition, Explain production and some physical properties.  

Beispiel 1Example 1 a) Herstellung des seitenständig Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Kettenverlängerungsmittelsa) Preparation of the lateral ethylene oxide units having hydrophilic chain extender

Das seitenständig Ethylenoxideinheiten aufweisende hydrophile Kettenverlängerungsmittel wird in Analogie zu der in US-PS 39 05 929 beschriebenen Arbeitsweise hergestellt durch Umsetzung von äquivalenten TeilenThe lateral ethylene oxide units having hydrophilic chain extender is by analogy to the procedure described in US-PS 39 05 929 produced by implementation of equivalent divide

  • (i) eines Polyethermonoalkohols aus n-Butanol, Ethylenoxid und Propylenoxid (im Molverhältnis 83 : 17) der OH-Zahl 30,(i) a polyether monoalcohol of n-butanol, Ethylene oxide and propylene oxide (in molar ratio 83: 17) of the OH number 30,
  • (ii) Hexandiisocyanat-1,6 und(ii) hexane diisocyanate-1,6 and
  • (iii) Diethanolamin.(Iii) diethanolamine.

Das resultierende Diol weist ein mittleres Molekulargewicht von 2140 auf.The resulting diol has an average molecular weight from 2140 on.

b) Herstellung der kationischen Polyurethan-Dispersionb) Preparation of the cationic polyurethane dispersion

4970 Gew.-Teile eines Polyesterdiols aus Adipinsäure, Phthalsäureanhydrid und Ethylenglykol der OH-Zahl 67, 16 580 Gew.-Teile eines Polyesterdiols aus Phthalsäureanhydrid und Ethylenglykol der OH- Zahl 56 sowie 1350 Gew.-Teile des unter a) beschriebenen Kettenverlängerungsmittels werden zusammen im Vakuum bei 0,0195 bar 120°C, 30 Minuten entwässert. Nach Abkühlung auf 80°C werden 3377 Gew.-Teile Hexandiisocyanat-1,6 auf einmal zugegeben, 10 Minuten ohne Heizung eingerührt, dann wird bei 110 bis 120°C 45 Minuten nachgerührt. Man läßt abkühlen und verdünnt ab 80°C vorsichtig portionsweise mit insgesamt 11 060 Gew.-Teilen Aceton. In die bei 60°C gerührte, schwach am Rückfluß siedende acetonische Lösung werden 500 Gew.-Teile N-Methyldiethanolamin gegeben und mit 1580 Gew.- Teilen Aceton nachgespült, man rührt eine Stunde bei 60°C, fügt 222 Gew.-Teile 1,2-Diaminopropan zu, spült mit 1580 Gew.-Teilen Aceton nach und verdünnt mit weiteren 7110 Gew.-Teilen Aceton. Die acetonische Lösung wird weiter bei 60°C gerührt. 30 Minuten nach der Aminzugabe werden 100 Gew.-Teile Wasser und 1 Gew.-Teil Dibutylzinndilaurat zugefügt und mit 10 270 Gew.-Teilen Aceton verdünnt.4970 parts by weight of a polyesterdiol of adipic acid, Phthalic anhydride and ethylene glycol of OH number 67, 16 580 parts by weight of a polyester diol from phthalic anhydride and ethylene glycol of OH Number 56 and 1350 parts by weight of the described under a)  Chain extenders become together in vacuo at 0.0195 bar 120 ° C, 30 minutes dewatered. After cooling to 80 ° C be 3377 parts by weight of 1,6-hexanediisocyanate at once added, stirred for 10 minutes without heating, then is stirred at 110 to 120 ° C for 45 minutes. you allowed to cool and diluted from 80 ° C carefully in portions with a total of 11,060 parts by weight of acetone. In the stirred at 60 ° C, slightly at reflux boiling acetonic solution become 500 parts by weight N-Methyldiethanolamin added and with 1580 wt. After rinsing with acetone, it is stirred for one hour at 60 ° C, adds 222 parts by weight of 1,2-diaminopropane, rinsed with 1580 parts by weight of acetone and diluted with a further 7110 parts by weight of acetone. The acetonic Solution is further stirred at 60 ° C. 30 Minutes after the amine addition, 100 parts by weight Water and 1 part by weight dibutyltin dilaurate was added and diluted with 10 270 parts by weight of acetone.

Nach 6 Stunden läßt sich in der acetonischen Lösung IR-spektroskopisch kein Isocyanat mehr nachweisen. Man fügt 500 Gew.-Teile Dimethylsulfat gelöst in 1580 Gew.-Teilen Aceton zu, rührt 1 Stunde bei 50°C nach und läßt dann - ebenfalls bei 50°C - 36 000 Gew.-Teile auf 50°C vorgewärmtes Wasser innerhalb von 30 Minuten langsam zulaufen. After 6 hours can be in the acetone solution No more isocyanate detected by IR spectroscopy. Add 500 parts by weight of dimethyl sulfate dissolved in 1580 parts by weight of acetone, stirred for 1 hour at 50 ° C. after and then leaves - also at 50 ° C - 36 000 parts by weight of water preheated to 50 ° C Run slowly within 30 minutes.  

Nach Abdestillation des Acetons im Wasserstrahlpumpen- Vakuum bei 50°C gibt man 1500 Gew.-Teile einer 30%igen Formalinlösung zu und erhält 60 000 Gew.-Teile einer stabilen kationischen Polyurethandispersion, die bei einem Feststoffgehalt von 43 Gew.-% einen pH von 4,2 sowie eine Teilchengröße (Durchmesser bestimmt mit Hilfe von Lichtstreuung) von 142-149 nm aufweist.After distilling off the acetone in a water jet pump Vacuum at 50 ° C is added 1500 parts by weight a 30% formalin solution and receives 60,000 parts by weight of a stable cationic polyurethane dispersion, at a solids content of 43% by weight, a pH of 4.2 and a particle size (Diameter determined by means of light scattering) of 142-149 nm.

Das Polyurethan enthält 3,48 Gew.-% an seitenständig eingebauten Ethylenoxideinheiten und 17,6 m Äquivalent anThe polyurethane contains 3.48% by weight of pendant built-in ethylene oxide units and 17.6 m Equivalent to

auf 100 g Festkörper.to 100 g of solids.

Elektrolytstabilitätelectrolyte stability

50 g einer auf 10 Gew.-% Feststoff eingestellten Probe dieser Dispersion benötigten bei Raumtemperatur 80 ml einer 10%igen NaCl-Lösung zur Koagulation. Eine entsprechende Polyurethan-Dispersion, jedoch ohne den nichtionisch-hydrophilen Emulgator hergestellt, koaguliert unter gleichen Testbedingungen bereits nach der Zugabe von 3,4 ml NaCl- Lösung. 50 g of a set to 10 wt .-% solids Sample of this dispersion needed at room temperature 80 ml of a 10% NaCl solution for coagulation. A corresponding polyurethane dispersion, but without the nonionic-hydrophilic emulsifier prepared, coagulated under the same test conditions after the addition of 3.4 ml of NaCl Solution.  

c) Allgemeine Vorschrift zur Bestimmung der Elektrolytstabilität kationischer Polyurethan-Dispersionenc) General regulation for the determination of electrolyte stability cationic polyurethane dispersions

50 ml einer auf 10% Feststoff eingestellten kationischen Polyurethan-Dispersion werden in einem Erlenmeyerkolben vorgelegt und unter kräftigem Rühren mit einem Magnetrührer bei Raumtemperatur tropfenweise aus einer Vorratsbürette mit 10%iger wäßriger NaCl-Lösung versetzt. Nach zunehmender Verdickung tritt zumeist schlagartige Koagulation der Dispersion ein, jedenfalls bei einem Verbrauch an Kochsalzlösung < 20 ml. Bei noch höherer Elektrolytstabilität bereitet die Endproduktbestimmung manchmal Schwierigkeiten, da die Koagulation nur zögernd unter teilweise Ausflockung eintritt. In diesem Fall wird die Endpunktbestimmung erleichtert, wenn man die Kochsalzlösung in 5 ml-Portionen zusetzt, nach jeder Zugabe 5 Minuten nachrührt und dann die Beurteilung vornimmt.50 ml of a cationic adjusted to 10% solids Polyurethane dispersion are in one Erlenmeyer flask submitted and under vigorous Stir with a magnetic stirrer at room temperature dropwise from a storage burette with 10% aqueous NaCl solution. After increasing thickening occurs mostly abrupt coagulation of Dispersion on, at least at a consumption of Saline <20 ml. For even higher electrolyte stability prepares the final product determination sometimes trouble, since coagulation only hesitantly with partial flocculation occurs. In In this case, the end point determination is facilitated, if you take the saline in 5 ml portions added, after each addition stirred for 5 minutes and then make the assessment.

Beispiel 2example 2

An diesem Beispiel wird die Abhängigkeit der Elektrolytstabilität von der verwendeten Menge an Ethylenoxid-Einheiten aufgezeigt.This example illustrates the dependence of electrolyte stability from the amount of ethylene oxide units used demonstrated.

  • a) 86,3 Gew.-Teile eines Polyesterdiols aus Adipinsäure, Phthalsäureanhydrid und Ethylenglykol der OH-Zahl 67, 307,7 Gew.-Teile Polyesterdiol aus Phthalsäureanhydrid und Ethylenglykol der OH-Zahl 56 sowie 17,2 Gew.-Teile eines Polyethermonoalkohols aus n-Butanol, Ethylenoxid und Propylenoxid (im Molverhältnis 83 : 17) der OH-Zahl 26 werden zusammengegeben und 30 Minuten bei 0,0195 bar, 120°C entwässert. Nach Abkühlung auf 80°C werden 67,2 Gew.-Teile Hexandiisocyanat-1,6 zugegeben, ohne Heizung 10 Minuten eingemischt und dann weitere 110 Minuten bei 120°C gerührt. Der NCO-Gehalt wird bestimmt (3,12%) und unter Abkühlung auf 60°C mit 80 Gew.-Teilen Aceton verdünnt, 11,9 Gew.-Teile N-Methyldiethanolamin werden zugesetzt und 1 Stunde bei 60°C verrührt, dann wird mit weiteren 80 Gew.- Teilen Aceton verdünnt, nacheinander werden 6,6 Gew.-Teile 1-Aminomethyl-5-amino-1,3,3-trimethylcyclohexan und 1,94 Gew.-Teile Hydrazinmonohydrat zugegeben, 30 Minuten bei 60°C gerührt, mit weiteren 160 Gew.-Teilen Aceton verdünnt, mit 8,4 Gew.-Teilen Chloracetamid wird 1 Stunde quaterniert, 11 Gew.-Teile 85%ige o-Phosphorsäure werden zugesetzt und schließlich läßt man 1125 Gew.-Teile Wasser zufließen, wobei eine feinteilige, bläulich durchscheinende Dispersion entsteht, die nach Abdestillation des Acetons im Vakuum (0,0195 bar, Badtemperatur 50°C) einen Feststoffgehalt von 30%, einen pH-Wert von 4,2 sowie einen mittleren Teilchendurchmesser von 143-174 nm aufweist. Die Dispersion ist erstaunlich temperaturstabil, sie übersteht eine 24-stündige Temperung bei 85°C ohne Veränderung der Teilchengröße.
    Bei einem Gehalt von 2,76% Ethylenoxid-Einheiten, bezogen auf Polyurethan-Feststoff, und 22,7 Milliäquivalent auf 100 g Festkörper verbrauchen 50 ml einer auf 10% Feststoff eingestellten Probe dieser Dispersion 5 ml 10%ige wäßrige Kochsalzlösung bis zur Koagulation.
    a) 86.3 parts by weight of a polyester diol of adipic acid, phthalic anhydride and ethylene glycol of OH number 67, 307.7 parts by weight of polyester diol from phthalic anhydride and ethylene glycol of OH number 56 and 17.2 parts by weight of a polyether monoalcohol from n-butanol, ethylene oxide and propylene oxide (in the molar ratio 83: 17) of the OH number 26 are combined and dehydrated at 0.0195 bar, 120 ° C for 30 minutes. After cooling to 80 ° C 67.2 parts by weight of 1,6-hexanediisocyanate are added, mixed without heating for 10 minutes and then stirred at 120 ° C for a further 110 minutes. The NCO content is determined (3.12%) and diluted with cooling to 60 ° C with 80 parts by weight of acetone, 11.9 parts by weight of N-methyldiethanolamine are added and stirred at 60 ° C for 1 hour, then is diluted with a further 80 parts by weight of acetone, successively 6.6 parts by weight of 1-aminomethyl-5-amino-1,3,3-trimethylcyclohexane and 1.94 parts by weight of hydrazine monohydrate are added, 30 minutes at 60 C., diluted with a further 160 parts by weight of acetone, 8.4 parts by weight of chloroacetamide are quaternized for 1 hour, 11 parts by weight of 85% strength o-phosphoric acid are added and finally 1125 parts by weight are left Water to give a finely divided, bluish translucent dispersion is formed after distilling off the acetone in vacuo (0.0195 bar, bath temperature 50 ° C) has a solids content of 30%, a pH of 4.2 and a mean particle diameter of 143 -174 nm. The dispersion is amazingly stable in temperature, it withstands a 24-hour annealing at 85 ° C without changing the particle size.
    At a content of 2.76% ethylene oxide units, based on polyurethane solids, and 22.7 milliequivalent for 100 g of solids, 50 ml of a 10% solids sample of this dispersion consume 5 ml of 10% aqueous saline until coagulation.
  • b) Gemäß Beispiel 2a) wird eine Dispersion hergestellt mit der Abänderung, daß die Menge an hydrophilen Polyether auf 21,5 Gew.-Teile heraufgesetzt wird und damit der Gehalt an Ethylenoxid-Einheiten bezogen auf Polyurethan-Feststoff auf 3,46% erhöht wird. Dadurch nimmt die Elektrolytstabilität zu. 50 ml einer auf 10% Feststoff eingestellten Probe 2b) benötigen bis zur Koagulation 17,5 ml einer 10%igen Kochsalzlösung.b) According to Example 2a), a dispersion is prepared with the modification that the amount of hydrophilic Polyether is increased to 21.5 parts by weight and thus the content of ethylene oxide units based on polyurethane solid increased to 3.46% becomes. As a result, the electrolyte stability increases. 50 ml of a sample adjusted to 10% solids 2b) require 17.5 ml of one until coagulation 10% saline.
  • c) Gemäß Beispiel 2b) wird eine Dispersion hergestellt mit der Abänderung, daß die Menge an hydrophilem Polyether auf 25,8 Gew.-Teile heraufgesetzt wird und damit der Gehalt an Ethylenoxid-Einheiten bezogen auf Polyurethan-Feststoff auf 4,08% erhöht wird. Dadurch nimmt die Elektrolytstabilität zu. 50 ml einer auf 10% Feststoff eingestellten Probe 2c) benötigten bis zur Koagulation 30 ml einer 10%igen Kochsalzlösung. c) According to Example 2b), a dispersion is prepared with the modification that the amount of hydrophilic Polyether is increased to 25.8 parts by weight and thus the content of ethylene oxide units increased to 4.08% based on polyurethane solids becomes. As a result, the electrolyte stability increases. 50 ml of a sample adjusted to 10% solids 2c) required 30 ml of one until coagulation 10% saline.  
  • d) Gemäß Beispiel 2c) wird eine Dispersion hergestellt mit der Abänderung, daß die Menge an hydrophilem Polyether auf 30 Gew.-Teile entsprechend 4,7% Ethylenoxid-Einheiten, bezogen auf Polyurethan- Feststoff, heraufgesetzt wird. Die Elektrolytstabilität nimmt dadurch zu. 50 ml einer auf 10% Feststoff eingestellten Probe 2d) benötigten zur Koagulation 70 ml einer 10%igen Kochsalzlösung.d) According to Example 2c), a dispersion is prepared with the modification that the amount of hydrophilic Polyether to 30 parts by weight, corresponding to 4.7% Ethylene oxide units based on polyurethane Solid, is raised. The electrolyte stability this increases. 50 ml one to 10% Solid sample 2d) required for Coagulation 70 ml of a 10% saline solution.
Beispiel 3example 3

An diesem Beispiel wird bei Dispersionen gleicher Zusammensetzung die Abhängigkeit der Elektrolytstabilität von der Teilchengröße gezeigt.This example is used for dispersions of the same composition the dependence of the electrolyte stability shown by the particle size.

Nach dem in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren werden Polyurethandispersionen aus folgenden Ausgangsmaterialien hergestellt:According to the method described in Example 2 Polyurethane dispersions from the following starting materials manufactured:

65 Gew.-Teile65 parts by weight Polyesterdiol aus Adipinsäure, Phthalsäureanhydrid und Ethylenglykol, OH-Zahl 67Polyester diol from adipic acid, Phthalic anhydride and ethylene glycol, OH number 67 222,6 Gew.-Teile222.6 parts by weight Polyesterdiol aus Phthalsäureanhydrid und Ethylenglykol, OH-Zahl 56Polyester diol from phthalic anhydride and ethylene glycol, OH number 56 16,7 Gew.-Teile16.7 parts by weight seitenständig Ethylenoxideinheiten aufweisendes hydrophiles Kettenverlängerungsmittel gemäß Beispiel 1lateral ethylene oxide units having hydrophilic chain extender according to Example 1 50 Gew.-Teile50 parts by weight Hexandiisocyanat-1,6Hexane-1,6-diol 8,8 Gew.-Teile8.8 parts by weight Methyldiethanolaminmethyldiethanolamine 5,7 Gew.-Teile5.7 parts by weight 1-Aminomethyl-5-amino-1,3,3-trimethylcyclohexan1-Aminomethyl-5-amino-1,3,3-trimethylcyclohexane 1,6 Gew.-Teile1.6 parts by weight Hydrazinmonohydrathydrazine monohydrate 6,2 Gew.-Teile6.2 parts by weight Chloracetamidchloroacetamide 8 Gew.-Teile8 parts by weight o-Phosphorsäure (85%ig)o-phosphoric acid (85%) 844 Gew.-Teile844 parts by weight Wasserwater

Durch Variation der Herstellungsbedingungen (Zeit und Temperaturvariation bei der Pfropfpolymerbildung und Lösungsmittelmenge) wurden bei gleicher chemischer Zusammensetzung Dispersionen unterschiedlicher Teilchengröße erhalten. Das Polyurethan hat 3,14% seitenständige Ethylenoxideinheiten und 22,6 MilliäquivalentBy varying the manufacturing conditions (time and Temperature variation in the graft polymer formation and Amount of solvent) were the same chemical composition Dispersions of different particle size receive. The polyurethane has 3.14% lateral Ethylene oxide units and 22.6 milliequivalent

pro 100 g Festkörper.per 100 g of solids.

Von diesen Dispersionen wurde mit der in Beispiel 1 angegebenen Methode die Elektrolytstabilität bestimmt. Das Ergebnis ist der Tabelle 1 zu entnehmen. Of these dispersions, the same was used in Example 1 specified method determines the electrolyte stability. The result is shown in Table 1.  

Tabelle 1 Table 1

Beispiel 4example 4

340 Gew.-Teile eines Polyesterdiols aus Hexandiol-1,6, 2,2-Dimethylpropandiol-1,3 und Adipinsäure der OH-Zahl 65 und 21,5 Gew.-Teile eines Polyethermonoalkohols der OH-Zahl 26 (gemäß Beispiel 2) werde 30 Minuten bei einem Druck von 0,0195 bar und einer Temperatur von 120°C entwässert. Nach Abkühlung auf 80°C werden 67,2 Gew.-Teile Hexandiisocyanat-1,6 zugefügt, 30 Minuten bei 80°C und 90 Minuten bei 120°C nachgerührt und dann der NCO-Gehalt des Prepolymeren bestimmt (3,53 Gew.-% NCO). Man läßt abkühlen und verdünnt ab 80°C langsam mit 80 Gew.-Teilen Aceton. In die homogene Lösung (Außentemperatur 70°C) werden 9,5 Gew.-Teile N-Methyldiethanolamin gegeben und 1 Stunde nachgerührt, nacheinander werden 8,5 Gew.-Teile 1-Aminomethyl-5-amino-1,3,3-trimethylcyclohexan und 2,5 Gew.-Teile Hydrazinmonohydrat zugefügt, eine Stunde bei 70°C Außentemperatur gerührt, mit weiteren 160 Gew.- Teilen Aceton verdünnt und mit 6,7 Gew.-Teilen Chloracetamid versetzt. Nachdem das IR-Spektrum einer Probe keine NCO-Bande mehr aufweist, werden 11 g o-Phosphorsäure (85%ig) zugegeben, anschließend läßt man 1100 Gew.-Teile erwärmtes Wasser zufließen und destilliert aus der entsprechenden kationischen Polyurethan- Dispersion das Aceton im Wasserstrahlvakuum ab, wobei die Badtemperatur auf 50°C gehalten wird. Die resultierende stabile Dispersion weist bei einem Feststoffgehalt von 31 Gew.-% einen mittleren Teilchendurchmesser von 126-130 nm sowie einen pH-Wert von 4,2 auf. Bezogen auf Feststoff enthält das Produkt 3,84 Gew.-% Polyethylenoxidsegmente und 20,1 Milliäquivalent quartären Stickstoff/ 100 g Polyurethan.340 parts by weight of a polyester diol of 1,6-hexanediol, 2,2-Dimethylpropandiol-1,3 and adipic acid of the OH number 65 and 21.5 parts by weight of a polyether monoalcohol of OH number 26 (according to Example 2) will be 30 minutes at a Dehydrated pressure of 0.0195 bar and a temperature of 120 ° C.  After cooling to 80 ° C 67.2 parts by weight Hexane diisocyanate-1,6 added, 30 minutes at 80 ° C and Stirred for 90 minutes at 120 ° C and then the NCO content of the prepolymer determined (3.53 wt .-% NCO). One lets Cool and dilute slowly from 80 ° C with 80 parts by weight Acetone. In the homogeneous solution (outside temperature 70 ° C) 9.5 parts by weight of N-methyldiethanolamine are added and Stirred for 1 hour, successively 8.5 parts by weight 1-aminomethyl-5-amino-1,3,3-trimethylcyclohexane and 2.5 parts by weight of hydrazine monohydrate added, one hour stirred at 70 ° C outside temperature, with a further 160 wt. Parts of acetone diluted and with 6.7 parts by weight of chloroacetamide added. After the IR spectrum of a sample no more NCO band, 11 g of o-phosphoric acid (85%) was added, then allowed Add 1100 parts by weight of heated water and distilled from the corresponding cationic polyurethane Dispersion the acetone in a water jet vacuum, wherein the bath temperature is kept at 50 ° C. The resulting stable dispersion indicates at a solids content of 31% by weight has an average particle diameter of 126-130 nm and a pH of 4.2. Related to Solid, the product contains 3.84% by weight of polyethylene oxide segments and 20.1 milliequivalents of quaternary nitrogen / 100 g of polyurethane.

50 ml einer auf 10% Feststoff eingestellten Probe dieser Dispersion benötigten 110 ml 10%ige NaCl-Lösung zur Koagulation (Bestimmung der Elektrolysestabilität gemäß Beispiel 1).50 ml of a sample adjusted to 10% solids This dispersion required 110 ml of 10% NaCl solution for coagulation (determination of electrolysis stability according to Example 1).

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von in Wasser dispergierbaren Polyurethanen mit im wesentlichen linearer Molekülstruktur durch Umsetzung von organischen Diisocyanaten mit im Sinne der Isocyanatopolyadditionsreaktion difunktionellen, endständige gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähige Wasserstoffatome aufweisenden organischen Verbindungen des Molekulargewichtsbereichs 300 bis 6000 unter Mitverwendung von sowohl
  • a) Diisocyanaten und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion difunktionellen Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen und mit seitenständigen Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Ketten in einer solchen Menge, daß im letztlich erhaltenen Polyurethan 2 bis 10 Gew.-% an seitenständigen Ethylenoxideinheiten vorliegen, als auch
  • b) Mono- oder Diisocyanaten und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion mono- oder difunktionellen Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit ionischen Gruppen oder in ionische Gruppen überführbaren Gruppen,
1. A process for the preparation of water-dispersible polyurethanes having a substantially linear molecular structure by reacting organic diisocyanates with difunctional in the sense of Isocyanatopolyadditionsreaktion, terminal isocyanate-reactive hydrogen atoms having organic compounds in the molecular weight range from 300 to 6000 with the concomitant use of both
  • a) diisocyanates and / or in the sense of Isocyanatpolyadditionsreaktion difunctional compounds with isocyanate-reactive hydrogen atoms and with pendant ethylene oxide units having hydrophilic chains in such an amount that in the final polyurethane obtained 2 to 10 wt .-% of lateral ethylene oxide units, as well
  • b) mono- or diisocyanates and / or compounds which are mono- or difunctional in the sense of the isocyanate polyaddition reaction and which have isocyanate-reactive hydrogen atoms with ionic groups or groups which can be converted into ionic groups,
wobei die zumindeste teilweise Überführung der letztgenannten Gruppen in hydrophile Gruppen während oder anschließend an die Polyadditionsreaktion erfolgt, sowie gegebenenfalls unter Mitverwendung der in der Polyurethanchemie an sich bekannten Kettenverlängerungsmittel eines unter 300 liegenden Molekulargewichts in einem Äquivalentverhältnis von Isocyanatgruppen von 0,8 : 1 bis 2,5 : 1 sowie gegebenenfalls unter Mitverwendung der in der Polyurethanchemie üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß man
  • i) gegebenenfalls anstelle oder zusammen mit den Diisocyanaten bzw. den difunktionellen Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit seitenständigen Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Ketten, Monoisocyanate mit Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Ketten und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit Ethylenoxideinheiten aufweisenden hydrophilen Ketten in einer solchen Menge verwendet, daß im letztlich erhaltenen Polyurethan 2 bis 10 Gew.-% endständig eingebaute oder 2 bis 10 Gew.-% seiten- oder endständig eingebaute Ethylenoxideinheiten vorliegen, und daß man
  • ii) die Art und Menge bzw. den Neutralisierungs- oder Quaternierungsgrad der Komponente b) so bemißt, daß im letztlich erhaltenen Polyurethan 16 bis 100 Milliäquivalent pro 100 g an vorliegen.
at least partial conversion of the latter groups into hydrophilic groups during or subsequent to the polyaddition reaction, and optionally with concomitant use of the chain extender known per se in polyurethane chemistry of less than 300 molecular weight in an equivalent ratio of isocyanate groups of 0.8: 1 to 2, 5: 1 and optionally with the concomitant use of customary in polyurethane chemistry auxiliaries and additives, characterized in that
  • i) optionally in place of or together with the diisocyanates or difunctional compounds with isocyanate-reactive hydrogen atoms having pendent ethylene oxide units having hydrophilic chains, monoisocyanates having ethylene oxide units having hydrophilic chains and / or in the sense of isocyanate polyaddition reaction to isocyanate-reactive hydrogen atoms with ethylene oxide units having hydrophilic chains in one used in such an amount that in the final polyurethane obtained 2 to 10 wt .-% terminally incorporated or 2 to 10 wt .-% side or terminal incorporated ethylene oxide units, and that
  • ii) the type and amount or the degree of neutralization or quaternization of component b) is such that in the final polyurethane obtained from 16 to 100 milliequivalents per 100 g available.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Komponente
  • a) ein Diol der allgemeinen Formel eingesetzt wird, in welcher
    R ein zweiwertiger Rest ist, wie er durch Entfernung der Isocyanatgruppen aus einem Diisocyanat mit einem Molekulargewicht von 112 bis 1000 erhalten wird,
    R′ Wasserstoff oder ein einwertiger Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen ist,
    X ein zweiwertiger Polyalkylenoxid-Rest mit 5 bis 90 Alkylenoxid-Einheiten ist, in dem mindestens 40% dieser Alkylenoxid- Einheiten Ethylenoxid-Einheiten und die restlichen Alkylenoxid-Einheiten Propylenoxid, Butylenoxid- oder Styroloxid- Einheiten darstellen,
    Y Sauerstoff oder ein -NR′′′-Rest ist und
    R′′ und R′′′ gleich oder verschieden sind und einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen bedeuten.
2. The method according to claim 1, characterized in that as a component
  • a) a diol of the general formula is used, in which
    R is a divalent radical as obtained by removing the isocyanate groups from a diisocyanate having a molecular weight of 112 to 1000,
    R 'is hydrogen or a monovalent hydrocarbon radical having 1 to 8 carbon atoms,
    X is a divalent polyalkylene oxide radical having 5 to 90 alkylene oxide units, in which at least 40% of these alkylene oxide units are ethylene oxide units and the remaining alkylene oxide units are propylene oxide, butylene oxide or styrene oxide units,
    Y is oxygen or a -NR '''- radical is and
    R '' and R '''are the same or different and represent a monovalent hydrocarbon radical having 1 to 12 carbon atoms.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Komponente a) ein monofunktioneller Polyether der allgemeinen Formel H-X-Y-R′′eingesetzt wird, in der X, Y und R′′ die in Anspruch 2 angeführte Bedeutung haben.3. The method according to claim 1, characterized that as component a) a monofunctional polyether the general formula H-X-Y-R "is used, in the X, Y and R" in claim 2 have meaning indicated.
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